M. W. Tausch. 3.Teil Ionenbindung

Transkript

1 Ionenbildung bei der NaCl-Synthese Energie als Funktion des Ionenabstands Gitterenergie Born-Haber Kreisprozess Gitterenergie und Gittergeometrie Koordinationszahlen Dichteste Kugelpackungen Elementarzellen von AB-Verbindungen KZ-4 Gitter: Zinkblende, Wurtzit (ZnS) KZ-6 Gitter: Steinsalz (NaCl) KZ-8 Gitter: Caesiumchlorid (CsCl) Elementarzellen von AB 2 -Verbindungen KZ-4 Gitter: Cristobalit (SiO 2 ) KZ-6 Gitter: Rutil (TiO 2 ) KZ-8 Gitter: Fluorit (CaF 2 ) Hydratation von Ionen, Hydratationsenergie Vergleich: Ionengitter-Metallgitter

2 1. Video zur NaCl-Synthese 2. Flash-Animation zur NaCl-Synthese

3 Bildung von Ionen mit Edelgaskonfiguration (Oktettregel) Oxidation = Elektronenabgabe Reduktion = Elektronenaufnahme Redoxreaktion = Reaktion mit Elektronentransfer vgl. auch [1], S

4 Teilschritte bei der NaCl-Synthese (vgl. auch Flash-Animation) Lit. [2]: S

5 Anwendung des Satzes von Hess zur Berechnung der Gitterenergie Elektronenaffinität Ionisierungsenergie Dissotiationsenthalpie Gitterenergie Sublimationsenthalpie Reaktionsenthalpie

6 Die Gitterenergie wird durch die Ladungen der Ionen und ihre geometrische Anordnung bestimmt Vgl. auch Tafelbild mit Coulomb-, Abstoßungs- und Gesamtenergie für ein Ionenpaar als Funktion des Abstands - Lit. [1], S. 52 Lit. [2]: S

7 Ionengitter im NaCl Koordinationszahlen: 6 Kristallsystem: kubisch Elementarzelle: 4 Na + und 4 Cl - -Ionen vgl. auch [1], S. 73

8 Dichteste Kugelpackungen in Kristallgittern Raumerfüllung: 74,06% Hexagonal dichteste Packung ABABAB... Kubisch dichteste PackungABCABC... Wichtige Größe bei Packungen von Ionen ist die Koordinationszahl (KZ), die Zahl der nächsten Nachbarn. Bei einer dichtesten Kugelpackung ist eine maximale KZ von 12 (3/6/3) möglich (nur bei Metallen). Ionen sind unterschiedlich groß. Deshalb treten bei Kristallen aus einatomigen Ionen die KZ 3, 4, 6 und 8 auf. Bei einem Verhältnis von K + / A = 1:1 sind beide KZ gleich, bei K + / A = 2:1 KZ (K + ) = ½KZ(A ) bei K + / A = 1:2 KZ (K + ) = 2KZ(A )

9 vgl. auch [1], S M. W. Tausch Dichteste Packungen Hexagonal dichteste Packung ABABAB... Kubisch dichteste Packung ABABAB...

10 vgl. auch [1], S M. W. Tausch Elementarzellen Kubisch dichteste Packung ABABAB... Hexagonal dichteste Packung ABABAB...

11 Kristallgittertypen vgl. in der Vorlesung gezeigte Modelle NaCl- oder Kochsalz-Gitter, kdp, Besetzung der N Oh-Lücken, A von 6 K+ und K+ von 6 A umgeben, rk/ra = 0,414 0,732, ABCABC Cäsiumchlorid-Gitter, kubisch-innenzentriert, rk/ra > 0,732 KZ 8 Zinkblende-Gitter, ZnS, Mineral, kdp, 2N Td-Lücken zur Hälfte besetzt, KZ 4, rk/ra = 0,225 0,414, ABCABC Wurtzit-Gitter, andere, natürlich vorkommende Modifikation von ZnS, hdp, K+ besetzt ½ der 2N Td-Lücken, rk/ra = 0,225 0,414, tetraedrische Koordination, KZ 4, ABABA Rutil-Gitter, TiO2-Modifikation, Mineral, hdp, ½ der Oh-Lücken mit K+ besetzt, rk/ra = 0,414 0,732, K+ besitzt Oh-Umgebung, KZ 6, A trigonal planar von K+ umgeben, KZ 3, ABABA Fluorit- bzw. Antifluorit-Gitter, CaF2 Flußspat, von CsCl-Gitter abzuleiten, kubisches Gitter, wegen Elektroneutralität nur ½ der K+-Plätze besetzt, rk/ra > 0,732, A tetraedrische Umgebung, KZ 4, K+ kubische Umgebung, KZ 8. Verbindungen des Typs A2B (besonders Alkalimetallchal-kogenide, Na2O) kristallisieren im Antifluorit-Gitter, nur ½ der A -Gitterplätze besetzt, K+ KZ 4, A KZ 8 vgl. auch [1], S

12 Strukturen von AB-, AB 2 - und A 2 B-Verbindungen Natriumchlorid r A /r B = 0,414-0,732 6:6 Koordination kdp Caesiumchlorid, r A /r B > = 0,732 8:8 Koordination, einf. kub. G. Zinkblende, r A /r B = 0,225-0,414 4:4 Koordination kdp Wurtzit, r A /r B = 0,225-0,414 4:4 Koordination, hdp Rutil, r A /r B = 0,414-0,732 6:3 Koordination, hdp Fluorit bzw. Antifluorit, r A /r B > = 0,732, 8:4 bzw. 4:8 Koordination, einf. kub. G. Kristallgittertypen vgl. in der Vorlesung gezeigte Modelle LiH, NaH, KH, RbH, CsH; alle Halogenide von Li, Na, K, Rb; CsF, AgF, AgCl, AgBr; Oxide, Sulfide und Selenide von Mg, Ca, Sr, Ba; TiO, VO, MnO, CoO, NiO, CdO, PbS, MnS, ScN, TiN, CrN CsCl, CsBr, CsI RbCl, RbBr, RbI (bei hohem Druck) CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgJ, BeO, BeS, BeSe, BeTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InSb AgI, ZnO, ZnS, BeO, MnS, AlN, GaN, InN MgF 2, MnF 2, FeF 2, CoF 2, NiF 2, PdF 2, ZnF 2, SnO 2, PbO 2, TiO 2, VO 2, NbO 2, TaO 2, CrO 2, MoO 2, WO 2, MnO 2, PuO 2, CaF 2, SrF 2, BaF 2, SrCl 2, BaCl 2, CuF 2, CdF 2, HgF 2, PbF 2, CeO 2, PrO 2, ZrO 2, HfO 2, ThO 2, UO 2, NpO 2, PuO 2, Alkalimetallchalkogenide Li 2 O, Na 2 O, K 2 O, Li 2 S, Na 2 S, K 2 S, vgl. auch [1], S

13 Elementarzellen: Bravais-Gitter kubisch a=b=c primitive Elementarzellen enthalten von jeder Atomart je nur ein äquivalentes Atom. tetragonal a=b c rhombisch a b c alle Winkel 90

14 Elementarzellen: Bravais-Gitter hexagonal/ trigonal a =b c = =90, =120 rhomboedrisch monoklin a b c = =90, 90 triklin (geringste Symmetrie) a b c

15 Hydratation von Ionen und Hydratationsenergie Lösungsprozess Hydratisierte Ionen

16 Elektronengas-Modell der Metallbindung Vergleich: Metall Ionenkristall